Langkah Pertama Menuju elektronik Interfacing Mikroba dengan Bahan Anorganik

Published on October 20, 2010 at 7:24 PM

Terminator. Borg. The Six Million Dollar Man. Fiksi ilmiah sudah masak dengan makhluk biologis bersenjata dengan kemampuan buatan. Namun dalam kenyataannya, hubungan kikuk antara dunia hidup dan tak hidup seringkali tidak memiliki saluran yang jelas untuk komunikasi.

Sekarang, ilmuwan dengan Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) telah merancang link listrik untuk sel hidup direkayasa untuk elektron antar-jemput melintasi membran sel untuk akseptor eksternal bersama jalur yang didefinisikan dengan baik. Ini saluran langsung dapat menghasilkan sel-sel yang dapat membaca dan merespon sinyal elektronik, elektronik mampu self-replikasi dan perbaikan, atau efisien mentransfer sinar matahari menjadi listrik.

Sebuah Escherichia coli galur rekayasa (kuning) yang melekat pada besi oksida padat (hitam). Para ilmuwan di Foundry Molekuler mengambil langkah pertama menuju elektronik interfacing mikroba dengan bahan anorganik, tanpa mengganggu kelangsungan hidup sel. (Gambar milik Heather Jensen)

"Perpaduan dunia yang hidup dan non-hidup adalah gambar kanonik dalam fiksi ilmiah," kata Caroline Ajo-Franklin, seorang ilmuwan staf di Biologi nanostructures Fasilitas di Foundry Molekuler. "Namun, dalam upaya paling untuk sistem antarmuka yang hidup dan non-hidup, Anda aduk sel dengan benda keras tajam, dan sel-sel merespon dengan cara yang dapat diprediksi - mereka mati. Namun, di Alam banyak organisme telah berevolusi untuk berinteraksi dengan bebatuan dan mineral yang merupakan bagian dari lingkungan mereka. Di sini, kita mengambil inspirasi dari pendekatan Alam dan benar-benar tumbuh hubungan keluar dari sel. "

Elektron membujuk melintasi membran selular tidak sepele: upaya untuk menarik elektron dari sel dapat mengganggu fungsinya, atau membunuh seluruh sel dalam proses. Terlebih lagi, teknik saat ini untuk mentransfer elektron selular ke sumber eksternal tidak memiliki roadmap molekul, yang berarti bahkan jika elektron tidak berubah di luar sel, tidak ada cara untuk mengarahkan perilaku mereka, melihat di mana mereka berhenti di sepanjang jalan, atau mengirim sinyal kembali ke interior sel.

"Kami tertarik dalam mencari jalur yang tidak akan membunuh sistem kehidupan kita belajar," kata Heather Jensen, seorang mahasiswa pascasarjana di University of California, Berkeley tesis yang bekerja adalah bagian dari publikasi ini. "Dengan menggunakan sistem yang hidup dalam elektronik, kita bisa satu hari menciptakan bioteknologi yang dapat memperbaiki dan mereplikasi diri." Dalam pendekatan mereka, Jensen, Ajo-Franklin dan rekan pertama kloning bagian dari rantai transfer elektron ekstraselular oneidensis Shewanella MR- 1, laut dan bakteri tanah yang mampu mengurangi logam berat dalam lingkungan bebas oksigen. Ini rantai atau "kaset genetik," Ajo-Franklin catatan, pada dasarnya adalah hamparan DNA yang berisi instruksi untuk membuat saluran elektron. Selain itu, karena semua kehidupan seperti yang kita tahu menggunakan DNA, kaset genetik dapat dipasang ke organisme apapun. Tim menunjukkan jalur ini elektron alam bisa muncul menjadi strain (berbahaya)-sebuah coli bakteri E. model yang serbaguna di bidang bioteknologi-untuk secara tepat saluran elektron di dalam sel hidup untuk suatu mineral anorganik: oksida besi, juga dikenal sebagai karat.

Bakteri dalam lingkungan tanpa oksigen, seperti Shewanella, gunakan besi oksida dari lingkungan mereka untuk bernapas. Akibatnya, bakteri ini telah mengembangkan mekanisme untuk transfer biaya langsung ke mineral anorganik yang ditemukan jauh di laut atau tanah. Berkeley Labs tim menunjukkan rekayasa mereka E. coli efisien dapat mengurangi besi dan oksida besi nanopartikel-lima yang terakhir kali lebih cepat daripada E. coli saja.

"Ini terobosan baru-baru ini merupakan bagian dari Departemen yang lebih besar dari proyek Energi pada membudidayakan kehidupan di tingkat sel dan molekuler. Dengan langsung interfacing perangkat sintetik dengan organisme hidup, kita dapat memanfaatkan kemampuan besar kehidupan dalam foto-dan konversi energi kimia, sintesis kimia, dan self-assembly dan perbaikan, "kata Jay Groves, seorang ilmuwan fakultas di Berkeley Labs dan profesor kimia di University of California, Berkeley. "Sel-sel memiliki cara-cara canggih mentransfer elektron dan energi listrik. Namun, hanya menempel elektroda ke dalam sel adalah sebagai tidak efektif karena menempel jari Anda ke outlet listrik ketika Anda lapar. Sebaliknya, strategi kita didasarkan pada penyadapan langsung ke dalam rantai molekul transpor elektron digunakan oleh sel untuk menangkap energi efisien. "

Para peneliti berencana untuk menerapkan kaset genetik pada bakteri fotosintetik, seperti elektron selular dari bakteri ini dapat diproduksi dari sinar matahari yang menyediakan murah, replikasi diri baterai surya. Ini logam-mengurangi bakteri juga dapat membantu dalam memproduksi obat farmasi, Ajo-Franklin menambahkan, sebagai langkah fermentasi dalam pembuatan obat membutuhkan energi-intensif memompa oksigen. Sebaliknya, bakteri ini direkayasa bernapas menggunakan karat, bukan oksigen, hemat energi.

Sebuah paper pelaporan penelitian ini berjudul, "Rekayasa saluran elektron sintetik dalam sel hidup," muncul dalam Prosiding National Academy of Sciences dan tersedia untuk pelanggan secara online. Co-authoring kertas dengan Jensen, Ajo-Franklin dan Groves adalah Harun Albers, Konstantin Malley, Yuri Londer, Bruce Cohen, Brett Helms dan Peter Weigele.

Bagian ini bekerja di Foundry Molekuler didukung oleh DOE Kantor Sains.

Last Update: 9. October 2011 03:03

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit